Thunderbolt (Schnittstelle)
Thunderbolt (englisch für Donnerkeil oder Blitz) ist ein Schnittstellen-Protokoll[1] zwischen Computern, Monitoren, Peripheriegeräten und Unterhaltungselektronik, wie Videokameras oder Festplatten.[2] Thunderbolt wurde von Intel in Zusammenarbeit mit Apple zunächst unter dem Codenamen Light Peak entwickelt.[3] Technisch handelt es sich um eine Kombination aus DisplayPort und einer auf PCI Express basierenden Schnittstelle.
Am 4. März 2019 gab die Standardisierungsorganisation USB-IF bekannt, dass USB4 auf der Basis von Thunderbolt 3 entwickelt werden soll.[4]
Vorangegangen war die Übergabe der Lizenzen vom Erfinder Intel an USB-IF, so dass alle Hersteller zukünftig lizenzfrei Thunderbolt einsetzen können.[5]
Entwicklung
Thunderbolt 1
| Schnittstelle | Taktrate (MHz) |
Leitungs- Code |
Datenrate (GBit/s) | Quelle | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Lane | 2 Lanes | ||||
| Thunderbolt 1 | 10 312,5 | 64b66b | 10 | − | |
| Thunderbolt 2 | 10 312,5 | 64b66b | 10 | 20 | [6] |
| Thunderbolt 3 | 20 625 | 64b66b | 20 | 40 | [7] |
Die Thunderbolt-Schnittstelle wurde auf der Hausmesse IDF 2009 erstmals intern[8][9] und am 24. Februar 2011 offiziell vorgestellt. Aus Kostengründen wurde zunächst auf eine optische Übertragung verzichtet, stattdessen wird eine elektrische Übertragung über Kupferkabel verwendet.[10] Da Thunderbolt aber aktive Kabel verwendet – das heißt, in den Steckern der Kabel befindet sich Elektronik, die die physische Ebene der Übertragungsstrecke (das Übertragungsmedium) vor dem Gerät verbirgt – wären alle Geräte auch mit optischen Kabeln kompatibel, falls diese eingeführt werden sollten. Mechanisch und elektrisch ist Thunderbolt abwärtskompatibel mit dem DisplayPort mit Mini-DisplayPort-Steckern.
Die ersten mit dieser Technologie ausgestatteten Geräte sind Notebooks der Reihe MacBook Pro von Apple, die seit dem 24. Februar 2011 erhältlich sind.[11][12] Thunderbolt soll sich nach den Plänen von Intel als ein universeller Anschluss durchsetzen und für die nahe Zukunft genügend Kapazität für den Transfer von großen Datenmengen bieten. Thunderbolt basiert auf mehreren parallelen bidirektionalen Kanälen, auf denen seriell Daten übertragen werden. Dabei werden existierende Protokolle wie DisplayPort und PCI Express verwendet. Zunächst (das heißt, nicht bei Thunderbolt 2) gibt es zwei bidirektionale Kanäle mit Transferraten von 10 GBit/s,[13] die Technik bietet aber Potenzial für weit höhere Datenraten; Intel nannte im Jahre 2009 das Ziel, 100 GBit/s innerhalb von zehn Jahren zu erreichen.[8] Außerdem kann die Technik unterschiedliche Protokolle gleichzeitig[8] unterstützen, wodurch sie flexibler einsetzbar wird.[14] Elektrische Kabel werden von Intel auf bis zu drei Meter spezifiziert, optische Kabel würden, so sie existierten, größere Leitungslängen von über 10 Metern ermöglichen.[15]
Thunderbolt-Dockingstationen sollen USB-Dockingstationen ersetzen und die bisherigen Nutzungseinschränkungen eines generischen Portreplikators nicht mehr aufweisen.
Seit dem Jahr 2012 ist Thunderbolt auch auf Windows-Systemen verfügbar.[16] Die Thunderbolt-Schnittstelle ist eine Alternative[17] zum (brutto) etwa halb so schnellen USB-3.0-Bus. USB hat aber die Vorteile, kompatibel zu den weit verbreiteten älteren USB-Schnittstellen zu sein sowie eine optional höhere Betriebsspannung bzw. Leistung[18] zu bieten. Darüber hinaus kostet USB auf dem Zubehörmarkt deutlich weniger.
Thunderbolt 2
Im Juni 2013 stellte Intel die nächste Thunderbolt-Generation namens Thunderbolt 2 vor, basierend auf dem Falcon Ridge genannten Controller. Der Produktionsbeginn war Ende 2013.[19] Sie bietet eine Datenrate von 20 GBit/s, was durch Zusammenlegung der beiden bisher bereits 10 GBit/s schnellen Daten- und Display-Kanäle ohne Änderungen an der Geschwindigkeit möglich wird. Die verfügbare Bandbreite kann so flexibler genutzt werden. Thunderbolt 2 wurde im Juni 2013 durch Apple erstmals auf der WWDC für den neuen Mac Pro angekündigt.[20]
Thunderbolt 3
Mitte 2015 wurde vom Thunderbolt-Konsortium die dritte Version vorgestellt, die als physisches Merkmal den drehbaren USB-C-Stecker mit der Maximalversion der USB-3.1-Spezifikation verbindet und die Übertragungsrate mit der Implementierung von PCI-Express 3.0 mit 4 Lanes auf bis zu 40 GBit/s erhöht.[21] Die Schnittstelle soll dazu dienen, alle Bild-, Ton-, Energie- und Datenübertragungskanäle in einer Schnittstelle zu bündeln, und erlaubt durch die aktiven Schnittstellen mit optischer Übertragung auch große Reichweiten.
Thunderbolt 4
Im Januar 2020 kündigte Intel Thunderbolt 4 auf der US-Messe Consumer Electronics Show (CES) an.[22] Für den Markt war diese Meldung überraschend, weil Intel den Thunderbolt-Standard seit dem 4. März 2019 der Standardisierungsorganisation USB Implementers Forum (USB-IF) übergeben hat, welche USB-Standards herausbringt und Thunderbolt als technische Basis für die Version USB4 benutzt.[22] Allerdings sind im Standard USB4 viele Bestandteile optional, und für den Kunden ist nicht eindeutig zu erkennen, welche Variante verwendet wurde. Hingegen sind unter dem Standard Thunderbolt 4 alle angeführten Bestandteile Pflicht.[22]
Die Zertifizierung Thunderbolt 4 verpflichtet Hersteller zu folgenden Standards:[23]
- Mindest-Übertragungsgeschwindigkeit von 40 GBit/s (wie Thunderbolt 3)
- Thunderbolt 4 Anschlüsse müssen mindestens in der Lage sein, ein 8K-Signal oder zwei 4K-Signale gleichzeitig zu übertragen
- Die Möglichkeit das Aufladen des Laptops über den Anschluss zu ermöglichen, sofern das Netzteil maximal 100 Watt unterstützt
- Ein Peripheriegerät, das an einem Thunderbolt-4-Anschluss angeschlossen ist, muss in der Lage sein, den Computer aus dem Ruhezustand zu wecken
- Die Bandbreite für Datenübertragungen per PCIe liegt verbindlich bei vier PCIe-Lanes mit 32 GBit/s
Kompatibilität/Stecker/Buchsen
Apple bietet einen Adapter an, um Geräte mit Thunderbolt-2-Anschluss an Geräte mit Thunderbolt-3/USB-C-Buchse anzuschließen.[24]
Bei Thunderbolt 1 und 2 entsprechen Buchse und Stecker denen von Mini Display Port; bei Thunderbolt 3 und 4 denen von USB-C und sind somit beidseitig einsteckbar (zweifach rotationssymmetrische Stecker).
Funktionsweise
Thunderbolt wird als Controller in Geräte integriert. Die erste Version basierte auf Kupferleitungen, in späteren Versionen kam ein Modul zur Umwandlung optischer und elektrischer Signale hinzu.[14] Reihenschaltungen von bis zu sechs Peripheriegeräten ohne Leistungsverlust sind ebenfalls möglich.[13] Miteinander verbundene Thunderbolt-Chips arbeiten mit einem synchronen Taktsignal. Um Laufzeitprobleme zu vermeiden, sollen die Timer bei maximal sieben Hops einer Thunderbolt-Gerätekette nur bis zu acht Nanosekunden voneinander abweichen.
Ein Thunderbolt-Kabel ist technisch sehr aufwendig. In den zwei Steckern eines Kabels sind zwölf Chips verbaut (Stand 2012). Dies erklärt das längliche und klobige Design der Stecker sowie die Erhitzung im Betrieb.[25]
Sicherheitsproblem
Steckt man ein Gerät an, besteht die Möglichkeit des Speicherdirektzugriffs (DMA) – lesend und schreibend. Dieses Einfallstor soll durch IOMMU auf Host-Seite begrenzt werden, jedoch unterstützen unter Windows nur Windows 10 Enterprise und Windows 11 Enterprise IOMMU. Aktiv ist es normalerweise ohnehin nicht. Unter Linux ist IOMMU im Kernel unterstützt, aber in allen gängigen Distributionen inaktiv.[26]
Spezifikationen
Thunderbolt 3
- Thunderbolt
- 40-Gbit/s-Thunderbolt-3 – verdoppelte Geschwindigkeit gegenüber Thunderbolt 2
- 4 PCI-Express-3.0-Lanes (= 32 Gbit/s), beispielsweise für externe Grafikkarte (eGPU)
- Thunderbolt-Netzwerk – 10-Gbit/s-Ethernet zwischen Computern
- USB – kompatibel mit vorhandenen USB-Geräten und -Kabeln
- USB 3.1 Gen 2 (10 Gbit/s)
- USB-C-Steckverbinder und Kabel (klein, rotationssymmetrisch)
- DisplayPort – kompatibel mit vorhandenen DisplayPort-Geräten und -Kabeln
- Stromversorgung (basiert auf USB Power Delivery)
- bis zu einer Leistung von 100 Watt
- 15 Watt für vom Bus versorgte Geräte
- Durchschleifen von bis zu sechs Geräten
- geringste Latenz für PCI-Express-Audioaufnahme
Thunderbolt 4
- Thunderbolt
- 40-Gbit/s-Thunderbolt-4 – gleiche Geschwindigkeit wie Thunderbolt 3
- 4 PCI-Express-3.0-Lanes (= 32 Gbit/s), beispielsweise für externe Grafikkarte (eGPU)
- Thunderbolt-Netzwerk – 10-Gbit/s-Ethernet zwischen Computern
- USB – kompatibel mit vorhandenen USB-Geräten und -Kabeln
- Basierend auf USB 4 (10 Gbit/s) mit allen Funktionen Pflicht
- USB-C-Steckverbinder und Kabel (klein, rotationssymmetrisch)
- DisplayPort – kompatibel mit vorhandenen DisplayPort-Geräten und -Kabeln
- Stromversorgung (basiert auf USB Power Delivery)
- bis zu einer Leistung von 100 Watt
- 15 Watt für vom Bus versorgte Geräte
- HUB Support statt nur Durchschleifen. Rückwärtskompatibel.
- geringste Latenz für PCI-Express-Audioaufnahme
Nachrüstbarkeit
Auf der Computex in Taipeh im Jahr 2012 stellte Asus die erste Steckkarte vor, mit der sich PC-Mainboards um Thunderbolt-Funktionalität erweitern lassen, die sonst kein Thunderbolt beherrschen. Diese ThunderboltEX genannte Karte läuft jedoch nur mit Asus- und Gigabyte-Boards, die die Hersteller hierfür als geeignet erklären.
Die Karte muss für volle Funktion mit einem DisplayPort-Kabel verbunden werden, dessen anderes Ende im DP-Ausgang der Onboard-Grafik oder der Grafikkarte steckt (Loop-Through-Kabel). Ein Vorteil ist, dass auch eine bereits vorhandene Grafikkarte zusammen mit Thunderbolt genutzt werden kann. Man ist also nicht auf Intels HD Graphics angewiesen, um mittels Thunderbolt einen Monitor anzusteuern. Die ThunderboltEX funktioniert auch, wenn kein DP-Kabel die Display-Signale zuführt. Dann ist zwar die Datenübertragung an andere TB-Geräte möglich, ein Thunderbolt-Monitor kann aber nicht mit Bildern versorgt werden.
Mittlerweile sind Weiterentwicklungen dieser Nachrüstlösung erschienen unter den Namen Asus ThunderboltEX 2 und Asus ThunderboltEX 3. Das Prinzip mit dem Loop-Through-Kabel blieb hierbei erhalten. Die Karten sind nur lauffähig auf Mainboards mit entsprechender BIOS-Unterstützung. Beim Design der Karte ThunderboltEX 3 vollzog Asus bereits den Wechsel des Thunderbolt-Steckers hin zu USB-C, die Karte ThunderboltEX 2 besitzt noch die weiter oben abgebildete TB-Buchse.[28] Hinzu kommt damit die USB-C-Funktion der Abgabe von elektrischer Leistung an externe Geräte, in diesem Fall von bis zu 36 Watt, so dass diese ohne eigenes Netzteil betrieben werden können.
Weblinks
- intel.de/… – Intel Thunderbolt Technik
- thunderbolttechnology.net – offizielle Website für Entwickler von Intel (englisch)
- apple.com/… – offizielle Website von Apple zur Thunderbolt-Schnittstelle
- patentlyapple.com/… – Patente von Apple zu Thunderbolt (englisch)
- Was ist Thunderbolt? – Thunderbolt im Überblick bei www.allround-pc.com
Einzelnachweise
- Prozessor: Intel wird Thunderbolt 3 in CPUs integrieren – Golem, am 26. Mai 2017
- THUNDERBOLT TECHNOLOGY: The Fastest Connection To Your PC Experience (englisch) – (ehemals bei) Intel (nun im Internet-Archiv; zuletzt gesichert am 23. September 2011)
- Brian Klug: Intel’s Codename Light Peak Launches as Thunderbolt, AnandTech, 2011-02-25
- USB Promoter Group Announces USB4 Specification. 4. März 2019, abgerufen am 13. Februar 2022.
- Florian Müssig: Aus Thunderbolt 3 wird USB 4. In: Heise online. 4. März 2019. Abgerufen am 5. März 2019.
- elektronikjk.pl
- datatec.de
- Intel Corporation: Intel zeigt künftige Lösungen für mobile Geräte jeder Größe und startet neues Software Developer Programm – Schneller Datentransfer mit „Light Peak“-Technologie. 24. September 2009 (Memento vom 18. August 2011 im Internet Archive)
- www.engadget.com, Intel unveils Light Peak 10 Gbps optical interconnect for mobile devices (englisch)
- Kupfer statt Glasfaser: Intels Light Peak sieht kein Licht – Golem, am 10. Dezember 2010
- Apple Updates MacBook Pro with Next Generation Processors, Graphics & Thunderbolt I/O Technology (Memento vom 29. Juni 2011 im Internet Archive)
- Apple Updates MacBook Pro with Next Generation Processors, Graphics & Thunderbolt I/O Technology. 24. Februar 2011, abgerufen am 19. November 2021.
- Apple – Thunderbolt: Highspeed I/O Technologie der nächsten Generation.
- intel.com – THUNDERBOLT TECHNOLOGY: The Fastest Connection To Your PC Experience
- PC Games Hardware – Intel stellt Thunderbolt alias Light Peak mit 10 Gbps offiziell vor
- Christof Windeck: IDF: Thunderbolt ab 2012 auch in Windows-Rechnern. In: Heise online. 15. September 2011. Abgerufen am 16. Juni 2017.
- Thunderclap: Macs und PCs anfällig für bösartige Thunderbolt Peripherie, heise.de, am 1. März 2019.
- Lucas Mearian: Thunderbolt vs. SuperSpeed USB 3.0. In: Computerworld. 10. Oktober 2011, abgerufen am 26. Januar 2013 (englisch).
- Video Creation Bolts Ahead – Intel’s Thunderbolt 2 Doubles Bandwidth, Enabling 4K Video Transfer & Display. Intel, 4. Juni 2013, abgerufen am 21. Oktober 2013.
- Johannes Schuster: WWDC: Neuer Mac Pro mit Thunderbolt 2.0 und USB 3.0. In: Heise online. 10. Juni 2013. Abgerufen am 21. Oktober 2013.
- Thunderbolt 3 – The USB-C That Does It All. Intel Cooperation, 2. Juni 2015, abgerufen am 18. Oktober 2015.
- Florian Müssig: Thunderbolt 4 ist USB 4 im Vollausbau. In: heise online. 10. Januar 2020, abgerufen am 11. Januar 2020.
- Thunderbolt 4: Alles, was Du zur neuen Schnittstelle wissen musst. Abgerufen am 8. November 2021.
- Apple A1790 Thunderbolt 3 (USB‑C) auf Thunderbolt 2 Adapter
- Demontage mit beschreibenden Fotos
- Hanno Böck: Thunderbolt-Anschlüsse erlauben Angriffe auf Arbeitsspeicher
- Ingolf Leschke: , , 2020-08-07
- ThunderboltEX 3. Asus, abgerufen am 1. November 2016.